席曉燕

唐山學(xué)院 機電工程系,河北 唐山 063000

農(nóng)用切割機執(zhí)行機構(gòu)的仿真與分析

席曉燕

唐山學(xué)院 機電工程系,河北 唐山 063000

應(yīng)用ADAMS軟件對切割機執(zhí)行機構(gòu)進行仿真與分析，得到了鉸鏈?zhǔn)芰η€圖?？紤]運動副的間隙，用銷孔和軸的間隙配合替換理想運動副，并添加碰撞接觸力，分析間隙大小對刀頭位移、速度、加速度的影響；考慮構(gòu)件柔性對機構(gòu)中典型剛性件柔性化，并分析構(gòu)件的柔性對機構(gòu)動力學(xué)特性的影響。結(jié)果表明：運動副間隙和構(gòu)件柔性對刀頭速度、加速度影響明顯產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，且柔性構(gòu)件使得加速度曲線在出現(xiàn)振蕩的基礎(chǔ)上峰值有所下降，緩解了切削過程中由于阻力產(chǎn)生的沖擊。適當(dāng)改變間隙值大小在一定程度上可以降低鉸接構(gòu)件的碰撞強度，改善切割機執(zhí)行機構(gòu)目標(biāo)點刀頭的動力學(xué)響應(yīng)。

ADAMS;切割機執(zhí)行機構(gòu);間隙;接觸力;柔性

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械加工業(yè)的發(fā)展，切割機械對切割的質(zhì)量、精度要求的不斷提高，對提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的要求也在提升。在切割機加工過程中，執(zhí)行機構(gòu)由于裝配、制造誤差及正常磨損，會使運動副間產(chǎn)生間隙，導(dǎo)致運動副元素之間可能會發(fā)生碰撞和沖擊，加劇磨損以及產(chǎn)生噪聲和振動[1]。文獻[2]提出了一種含間隙平面連桿機構(gòu)運動精度的穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計方法。文獻[3]針對一汽輪機閥門機構(gòu)分析了鉸鏈間隙、制造和裝配誤差等因素對機構(gòu)動力學(xué)特性的影響。文獻[4]研究了含間隙的圓柱銷動力學(xué)模型并進行了有限元分析。文獻[5]基于仿真軟件對含間隙酒瓶裝箱機構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。機構(gòu)在實際運行時，由于材料的特性對構(gòu)件的柔性影響也不容忽視，有許多學(xué)者針對柔性連桿機構(gòu)的動力學(xué)特性進行了較為深入的研究[6-9]。而對考慮運動副間隙和連桿柔性的共同影響的研究報告較少，文獻[10]基于仿真軟件平臺，采用沖擊函理論模擬間隙接觸的碰撞，研究了含間隙運動副柔性曲柄搖桿機構(gòu)的動力學(xué)行為，文獻[11]同時考慮構(gòu)件的柔性和運動副的間隙，對酒瓶裝箱機構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計與動力學(xué)分析。

本文應(yīng)用虛擬樣機軟件ADAMS[12-16]建立切割機執(zhí)行機構(gòu)的虛擬樣機模型并進行仿真分析，得到鉸鏈處受力圖?？紤]運動副處間隙，用銷孔和軸的間隙配合替換理想運動副，并添加碰撞接觸力，分析了運動副間隙及間隙大小對刀頭位移、速度、加速度的影響；考慮構(gòu)件的柔性對機構(gòu)中受力較大的的剛性件柔性化，并分析構(gòu)件的柔性對機構(gòu)動力學(xué)特性的影響。

1 切割機執(zhí)行機構(gòu)參數(shù)化建模仿真

切割機機構(gòu)簡圖如圖1所示，是由連桿機構(gòu)組成，電機經(jīng)過減速裝置使曲柄1轉(zhuǎn)動，再通過導(dǎo)桿機構(gòu)使裝有刀具的滑塊5沿導(dǎo)路作往復(fù)運動，以實現(xiàn)刀具切削運動。在ADAMS中對機構(gòu)進行建模，其中曲柄、導(dǎo)桿、連桿的創(chuàng)建利用ADAMS/View中的link命令創(chuàng)建，滑塊B用Box命令創(chuàng)建，滑塊E用Extrusion命令創(chuàng)建。建立的模型如圖2、圖3、圖4所示.

圖1 切割機機構(gòu)運動簡圖Fig.1Actuator of cutter

圖2 導(dǎo)桿曲柄及連桿模型Fig.2 Guide rod,crank,connecting rod

圖3 滑塊2模型Fig.3 Slider No.2

圖4 滑塊5模型Fig.4 Slider No.5

完成切割機執(zhí)行機構(gòu)幾何實體模型后，通過添加約束副和驅(qū)動將它們依照特定的順序連接起來，以定義物體之間的相對運動。最終得到機構(gòu)的虛擬樣機模型如圖5所示。

圖5 虛擬樣機模型Fig.5 Prototype model

2 考慮運動副間隙的機構(gòu)動力學(xué)分析

上述建立的模型各構(gòu)件之間的轉(zhuǎn)動副為理想轉(zhuǎn)動副，由于轉(zhuǎn)動副存在著間隙，機構(gòu)的實際運動和理想的運動之間會產(chǎn)生偏差，降低機構(gòu)的運動精度。如果間隙量過小會使機構(gòu)的運轉(zhuǎn)不便捷，引起轉(zhuǎn)動副元素的劇烈摩擦而發(fā)熱，加速構(gòu)件磨損致使間隙量變大，產(chǎn)生較大的噪聲從而降低了效率；如果間隙量較大會直接降低機構(gòu)的運動精度。

機構(gòu)是由構(gòu)件通過一個個運動副連接而成的，由構(gòu)件所受到的力也是通過運動副傳遞的。如何求運動副所受力，在ADAMS軟件提供了很簡便的方法。以測量轉(zhuǎn)動副C所受力為例，右擊模型JOINT_3（C）處；彈出快捷菜單后選擇JOINT_3展開項的Measure選項；打開Joint Measure對話框；點擊Component的mag鈕，此為測量其絕對受力，如圖6所示，得到的轉(zhuǎn)動副C受力變化曲線如圖7所示。

圖6 測量轉(zhuǎn)動副受力窗口Fig.6 Window force diagram of the revolute pair

圖7 轉(zhuǎn)動副C受力變化曲線Fig.7 Force variation of the revolute pair C

按照如上步驟測量每一個轉(zhuǎn)動副在仿真時的受力變化。所有鉸鏈在整個仿真過程中的受力曲線匯集放大后如圖8所示。

圖8 各個轉(zhuǎn)動副受力曲線Fig.8 Force diagram of revolute pairs

圖9 建立銷軸-孔模型Fig.9 Model of pin and hole

圖8中在一個運動周期內(nèi)，每條曲線在5處均有速度突變，這正是滑塊5受力對整個機構(gòu)造成的顯著影響。從圖中讀出每條曲線的最大值，即為相對應(yīng)轉(zhuǎn)動副在仿真過程中受到的最大力。從圖8中可以得出，在仿真過程中轉(zhuǎn)動副C受力最大，因此在此處重新建立帶有間隙的銷軸和孔，并添加接觸力CONTACT力來反映間隙接觸的碰撞力，建立的銷軸-孔模型如圖9所示，得到含間隙模型切刀的位移、速度、加速度曲線，與不含間隙模型比較得到如圖10～15所示。

圖10 不含間隙時滑塊位移曲線Fig.10 Displacement curve without clearance

圖11 含間隙時滑塊位移曲線Fig.11 Displacement curve with clearance

從圖10和圖11中兩條曲線十分接近，這說明含間隙運動副對滑塊的位移影響不大，原理上由于位移從曲柄處傳遞到導(dǎo)桿后，在導(dǎo)桿上進行傳遞軸銷與軸孔間存在著間隙，這種間隙在運動時隨運動鏈傳遞到了滑塊并對其位移造成影響，但同時由于間隙很小，軸銷和軸孔每次撞擊時間極短，位移變化得不到累積，所以間隙對目標(biāo)滑塊快位移影響并不明顯。

圖12 未含間隙時速度曲線 Fig.12 Speed curve without clearance

圖13 含間隙時速度曲線Fig.13 Speed curve with clearance

對于是否存在運動副間隙，速度曲線對比比較鮮明，從圖14和圖15中可以看出：考慮轉(zhuǎn)動副間隙后，含間隙的刀頭速度在其理想理論值附近震蕩，是因為轉(zhuǎn)動副間隙的存在，是伴隨著軸銷與軸孔碰撞、分離再碰撞、再分離，每一次碰撞都會造成速度的突變并實時不衰減地傳遞給滑塊。

圖14 不含間隙時加速度曲線Fig.14Acceleration curve without clearance

圖15 含間隙時加速度曲線Fig.15Acceleration curve with clearance

由于加速度是速度與時間的比值，所以加速的曲線相比速度曲線其振蕩的還要激烈。如圖14和圖15所示，加速度產(chǎn)生了明顯的變化，這是因為加速度傳遞到間隙位置后，在多個方向上產(chǎn)生了分量，導(dǎo)致了最后傳遞到刀頭時，發(fā)生了較大變化。

以上仿真、分析、對比是切割機機構(gòu)樣機模型導(dǎo)桿上間隙為0.05 cm的分析。通過修改銷軸或銷孔的半徑，將間隙變?yōu)?.255 cm時，得到加速度曲線如圖16所示。從圖15和圖16中可以看出轉(zhuǎn)動副間隙為0.05 cm時的刀頭加速度峰值高于轉(zhuǎn)動副間隙為0.025 cm時的峰值，相反的轉(zhuǎn)動副間隙為0.05 cm時的滑塊加速度頻率低于轉(zhuǎn)動副間隙為0.0025 cm時的頻率。

綜上所述，可見運動副間隙對于本文中的切割機構(gòu)樣機模型目標(biāo)點刀頭有著不可避免的影響。間隙雖然對滑塊的位移影響甚小，可以忽略，但對其速度和加速度影響明顯。隨著間隙的增大，滑塊的速度突變峰值增大，但其頻率卻隨著間隙的增大而降低。由于間隙的存在影響著機構(gòu)目標(biāo)的運動精度，而且可能因此造成機構(gòu)的振動加劇，所以現(xiàn)實中要對轉(zhuǎn)動副的間隙加以限制。

圖16 間隙為0.05 cm時滑塊加速度曲線Fig.16Acceleration curve with clearance of 0.05 cm

圖17 考慮柔性體時刀頭位移曲線 Fig.17 Displacement curve of flexibility bar

圖18 考慮柔性體時刀頭速度曲線Fig.18 Speed curve of flexibility bar

3 考慮構(gòu)件柔性的機構(gòu)動力學(xué)分析

本文的切割機樣機模型，先前創(chuàng)建的模型其構(gòu)件均為剛性構(gòu)件，也就是說受力沒有考慮變形。考慮構(gòu)件材料特性及運動及受力特性，構(gòu)件的柔性不可忽視，因此在ADAMS中建立典型構(gòu)件的柔性體模型并進行動力學(xué)分析，需要將其中典型構(gòu)件轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝泽w，用以研究構(gòu)件受力變形對機構(gòu)目標(biāo)點的運動特性影響。根據(jù)鉸鏈?zhǔn)芰D8將機構(gòu)中受力較大的鉸鏈C相連的導(dǎo)桿3柔性化，具體操作通過選擇菜單中Build中的Flexible Bodies展開項的Discrete Flexible Link將導(dǎo)桿3柔性化，再添加約束后，將有柔性體的模型中的滑塊速度、加速度、位移曲線與理想狀態(tài)下的相比較，得到如圖17～19所示。

圖19 考慮柔性體時刀頭加速度曲線Fig.19Acceleration curve of flexibility bar

對比圖10和圖17，可以看出，含柔性體的運動副對刀頭的位移曲線影響不大，只是在局部有輕微的振蕩，但也會影響被加工工件的表面質(zhì)量。對比圖12和圖18，可以看出，考慮柔性構(gòu)件時刀頭速度曲線出現(xiàn)明顯振蕩，明顯影響到被加工工件的表面質(zhì)量。對比圖14和圖19，可以看出考慮構(gòu)件柔性時刀頭加速度曲線振蕩現(xiàn)象十分明顯，但峰值有所下降，說明柔性構(gòu)件從某種程度上對切削過程中產(chǎn)生的沖擊有所緩解，為機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計及選材方面提供了可參考價值。

3 結(jié)論

本文基于虛擬樣機ADAMS平臺對農(nóng)用切割機執(zhí)行機構(gòu)進行了建模仿真，分析了運動副間隙和柔性構(gòu)件對機構(gòu)運動學(xué)和動力學(xué)的影響。

(1)考慮運動副間隙，并添加非線性碰撞接觸力來反映構(gòu)件接觸處的碰撞接觸力與位移關(guān)系，分析了運動副間隙及間隙大小對機構(gòu)動力學(xué)特性的影響，通過適當(dāng)改變間隙值大小在一定程度上可以降低鉸接構(gòu)件的碰撞強度，改善切割機執(zhí)行機構(gòu)目標(biāo)點刀頭的動力學(xué)響應(yīng)。

(2)考慮構(gòu)件柔性時，位移、速度曲線出現(xiàn)振蕩，加速度曲線在出現(xiàn)振蕩的基礎(chǔ)上峰值有所下降，緩解了切削過程中由于阻力產(chǎn)生的沖擊。

[1]王國慶,劉宏昭.含間隙平面連桿機構(gòu)動態(tài)特性研究[J].機械傳動,2001,25(3):18-21

[2]郭惠昕,岳文輝.含間隙平面連桿機構(gòu)運動精度的穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計[J].機械工程學(xué)報,2012,48(3):75-81

[3]時 兵,金 燁.面向虛擬樣機的機構(gòu)間隙旋轉(zhuǎn)鉸建模與動力學(xué)仿真[J].機械工程學(xué)報,2009,45(4):299-303

[4]Zhang DG,Zhou SF.Dynamic Analysis of Flexible-link and Flexible-joint robots[J].Applied Mathematics and Mechanics,2006(5):122-125

[5]席曉燕.基于ADAMS的含間隙酒瓶裝箱機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].包裝工程,201334(1):69-74

[6]Zhang DG.Recursive Lagrangian dynamic modeling and simulation of multi-link spatial flexible manipulator arms[J]. Applied Mathematics and Mechanics,2009(10):1024-1027

[7]Lowen GG,Chassapis CC.The elastic behavior of linkages,an update[J].Mech.Machine Theory,1986,21(1):33-42

[8]Bejkowski J,Hac M.Application FEM in modeling rigid and flexible systems with joint clearances[J].Shock and Vibration Digest,2000,32(1):63

[9]Miyabe T,Konno A,Uchiyama M.Cooperative control of a two-arm flexible manipulator with redundancy[C].IEEE/ RS J,2002,3:2708-2713

[10]郭杏林,趙子坤.含間隙柔性曲柄搖桿機構(gòu)動力學(xué)分析[J].機械強度,2010,32(6):905-909

[11]席曉燕.基于ADAMS的含間隙柔性酒瓶裝箱機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計與動力學(xué)仿真[J].機械科學(xué)與技術(shù),201332(8):1195-1199

[12]李宇庭,胡萬里,謝偉華,等.橢圓齒輪-槽輪組合機構(gòu)的虛擬樣機設(shè)計及仿真分析[J].包裝工程,2014,35(17):79-85

[13]田 野,孫智慧,鄭賽男,等.包裝機中推料機構(gòu)分析及優(yōu)化[J].包裝工程,2013,34(21):66-70

[14]袁清珂,李龍剛,馮競浩,等.先進設(shè)計技術(shù)平臺與包裝機械虛擬樣機[J].包裝工程,2014,35(19):59-64

[15]郭衛(wèi)東.虛擬樣機技術(shù)與ADAMS應(yīng)用實例教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008

[16]朱 玉.機械綜合課程設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012

Simulation andAnalysis on Running Mechanism ofAgricultural Cutter

XI Xiao-yan
Department of Mechanical Engineering/Tangshan University,Tangshan 063000,China

The hinge force curves were obtained through the simulation and analysis of the actuator based on ADAMS. Considering the kinematic clearance,replaced the ideal kinematic pair between the pin hole and the shaft,and added crash contact force,analyzed the influence of clearance gap size on tool head displacement,speed and acceleration.The influence of the component flexibility on the dynamic characteristics of the mechanism was analyzed.Results showed that Kinematic clearance and component flexibility had the obviously oscillatory occurence on cutter head speed and acceleration.The flexible component caused the peak value of the acceleration curve to decrease on the basis of the oscillation,and the impact of the resistance during the cutting process was relieved.Changing the clearance could reduce articulated member impact strength to some extent and improve the cutting machine execution mechanism dynamic response of the target point cutter head.

ADAMS;agricultural cutter actuator;clearance;contact force;flexibility

TB486;TS261.3

:A

:1000-2324(2017)03-0355-05

2016-11-14

:2017-03-15

河北省科技廳資助項目(16221923)

席曉燕(1979-),女,副教授.主要從事機械動力學(xué)、機械設(shè)計及理論教學(xué)與研究.E-mail:xixiaoyan@163.com